Messtechnische Validierung der Modelle zum Langzeitverhalten der Gleis-Tragwerks-Interaktion

Abstract

Im modernen Eisenbahnoberbau werden die Schienen durchgehend verschweißt. Bei der Führung des lückenlosen Gleises über eine Brücke entstehen infolge der Kopplung zwischen Gleis und Tragwerk Interaktionseffekte bei Längsbewegungen des Überbaus. Diese äußern sich im Bereich der Brücke durch zusätzliche Schienenspannungen, durch relative Gleisverschiebungen zum Überbau bzw. zum Planum sowie durch zusätzliche Längskräfte in den Brückenlagern. Diese Effekte nehmen mit wachsender Bauwerkslänge zu und müssen zur Gewährung der Integrität und Verkehrssicherheit des Gleises begrenzt werden. Deshalb spielt diese Wechselwirkung eine maßgebende Rolle beim Entwurf von langen Brücken sowie bei der Ausbildung des Oberbaus auf den Bauwerken. Grundlage für den Nachweis der Gleis-Tragwerks-Interaktion ist die rechnerische Ermittlung der Interaktionseffekte anhand eines Modells. Die in den 1980er Jahren entwickelten Modelle müssen für die heutigen Oberbauformen überprüft werden, um eine qualifizierte und abgesicherte Prognose der Einwirkungen für den Nachweis zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit werden die Modelle zur Prognose der Effekte aus Langzeiteinwirkungen für den Schotteroberbau und für die Feste Fahrbahn auf Basis von umfangreichen Messungen an Talbrücken überprüft. Die Arbeit ist in drei Blöcke untergliedert. Im ersten Block erfolgt eine umfangreiche Literaturrecherche als Grundlage für das Verständnis des bestehenden Nachweises und der heutigen im Regelwerk vorgegebenen Modelle und Grenzwerte. Im zweiten Block werden zwei für die Modellbildung und Berechnung maßgebenden Eigenschaften des Tragwerks messtechnisch charakterisiert: das Überbauverformungsverhalten aus Temperatur, Kriechen und Schwinden für eine Betonbrücke und die Unterbausteifigkeit der als längsfesten Punkte ausgebildeten Pfeiler für eine Talbrücke. Anhand der experimentellen Ergebnisse wird gezeigt, dass diese im Modell angesetzten Tragwerksparameter in der Realität deutlich von den Annahmen aus Materialkonstanten oder aus Teilmodellen abweichen können. Im dritten Block werden wichtige Erkenntnisse zu den verwendeten Modellen des Längsverschiebewiderstands im Gleis und zur Prognose der zusätzliche Schienenspannungen infolge Langzeiteinwirkungen gesammelt. Die angewandte Auswertemethodik ermöglicht eine direkte messtechnische Erfassung des Längsverschiebewiderstands unter realen Randbedingungen. Bei der überwachten Brücke mit Schotteroberbau werden deutliche Reserven ausgewiesen. Bei der Brücke mit Fester Fahrbahn werden die Modelle weitestgehend validiert.

Rails are continuously welded in modern railway tracks. Because of the longitudinal connection between the rail and the bridge superstructure, interaction effects occur when the continuous welded rail (CWR) is laid over the bridge. The longitudinal deformation of the superstructure due to temperature or traffic loads leads to additional stresses in the rail, to relative displacements between bridge and track and to additional horizontal forces in the bearings. Since those effects grows with increasing bridge length, they have to be limited in order to ensure the integrity of the rail and the safety of the railroad traffic. This is the reason why the track-bridge interaction plays a major role in the design of both the bridge structure and the railway track. The approach and the analyse of the track-bridge interaction is based on the calculation of the interaction effects. The computation models used have been developed in the 1980’s. In order to get reliable calculation results for the modern railway tracks, these models have to be reviewed. The focus of this dissertation is the validation of the models for the long-term behaviour of track-bridge-interaction on ballasted and on ballastless track using the results of a large-scale monitoring performed on several railway viaducts. The work is subdivided into three parts. In the first part, an extensive literature research has been performed in order to understand the actual approach of track-bridge interaction given in the codes and to comprehend the origin of the defined models and of the limits for the admissible additional rail stresses and deformations. In the second part, measurement results are used to characterise two major parameters of the bridge model governing the interaction with the track: the deformation behaviour of the bridge structure due to temperature changes, creep and shrinkage in the case of concrete bridges as well as the longitudinal stiffness of the fixed piers. The experimental results from the measurements show noticeable differences to the structural parameters calculated and used in the models. In the third part, new findings about the longitudinal rail restraint and the calculation of the long-term induced additional rail stresses are presented. The used methodology to measure and analyse the rail stresses enable to determine the activated longitudinal rail restraint under the real in situ conditions. The performed investigation shows that the actual models can be validated for ballastless track for the fastening system used on bridges in Germany and that the actual models leads to an overestimation of the additional stresses in the case of ballasted track.